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白矮星(White Dwarf)是一種低光度、高密度、高溫度的恆星。因為它的顏色呈白色、體積比較矮小,因此被命名為白矮星。白矮星的密度極高,一顆質量與太陽相當的白矮星體積只有地球一般的大小,微弱的光度則來自過去儲存的熱能。在太陽附近的區域內已知的恆星中大約有6%是白矮星。

1 白矮星 -概述

白矮星白矮星

白矮星(white dwarf),也稱為簡併矮星,是由電子簡併物質構成的小恆星。它們的密度極高,一顆質量與太陽相當的白矮星體積與地球相當,微弱的光度則來自過去儲存的熱能。這種異常微弱的白矮星大約在1910年就被亨利·諾利斯·羅素、愛德華·皮克林和威廉·佛萊明等人注意到,白矮星的名字是威廉·魯伊登在1922年確定的。

白矮星被認為是低質量恆星演化階段的最終產物。白矮星的內部不再有物質進行核融合反應,因此恆星不再有能量產生,也不再由核融合的熱來抵抗重力崩潰;它是由極端高密度的物質產生的電子簡併壓力來支撐。物理學上,對一顆沒有自轉的白矮星,電子簡併壓力能夠支撐的最大質量是1.4倍太陽質量,也就是錢德拉塞卡極限。許多碳氧白矮星的質量都接近這個極限的質量,通常經由伴星的質量傳遞,可能經由所知道的碳引爆過程爆炸成為一顆Ia超新星。

2 白矮星 -特徵

白矮星白矮星

1、體積小,白矮星的半徑接近於行星半徑,平均小於103千米。

2、光度(恆星每秒鐘內輻射的總能量,即恆星發光能力的大小)非常小,要比正常恆星平均暗103倍。

3、質量小於太陽質量。

4、密度高達106~107克/厘米3,其表面的重力加速度大約等於地球表面重力加速度的10倍到104倍。假如人能到達白矮星表面,那麼他休想站起來,因為在它上面的引力特別大,以致人的骨骼早已被自己的體重壓碎了。

5、白矮星的表面溫度很高,平均為103℃。

3 白矮星 -存在數量

截止到2011年,人們已經觀測發現的白矮星有1000多顆。1982年出版的白矮星星表表明,銀河系中有488顆白矮星,它們都是離太陽不遠的近距天體。根據觀測資料統計,大約有3%的恆星是白矮星,但理論分析與推算認為,白矮星應佔全部恆星的10%左右。

4 白矮星 -發現歷史

白矮星的組成粒子圖白矮星的組成粒子圖

第一顆被發現的白矮星是三合星的波江座 40,它的成員是主序星的波江座 40A,和在一段距離外組成聯星的白矮星波江座 40B和主序星的波江座 40C。波江座 40B和波江座 40C這一對聯星是威廉·赫歇爾在1783年1月31日發現的,它在1825年再度被Friedrich Georg Wilhelm Struve觀測,1851年被Otto Wilhelm von Struve觀測。

1892年,Alvan Graham Clark發現了天狼星的伴星。根據對恆星數據的分析,這個伴星的質量約一個太陽質量,表面溫度大約25000K,但是其光度大約是天狼星的萬分之一,所以根據光度和表面積的關係,推斷出其大小與地球相當。這樣的密度是地球上的物質達不到的。1917年,Adriaan Van Maanen發現了(截止到2011年)已知離太陽最近的白矮星Van Maanen星。

在20世紀初由Max Planck等人發展出量子理論之後,Ralph H. Fowler於1926年建立了一個基於費米-狄拉克統計的解釋白矮星的密度的理論。

1930年,蘇布拉馬尼揚·錢德拉塞卡發現了白矮星的質量上限(錢德拉塞卡極限),並因此獲得1983年的諾貝爾物理學獎。

5 白矮星 -形成過程

白矮星白矮星

根據現代恆星演化理論,白矮星是在紅巨星的中心形成的。當紅巨星的外部區域迅速膨脹時,氦核受反作用力卻強烈向內收縮,被壓縮的物質不斷變熱,最終內核溫度將超過一億度,於是氦開始聚變成碳。

經過幾百萬年,氦核燃燒殆盡,現在恆星的結構組成已經不那麼簡單了:外殼仍然是以氫為主的混和物;而在它下面有一個氦層,氦層內部還埋有一個碳球。核反應過程變得更加複雜,中心附近的溫度繼續上升,最終使碳轉變為其他元素。與此同時,紅巨星外部開始發生不穩定的脈動振蕩:恆星半徑時而變大,時而又縮小,穩定的主星序恆星變為極不穩定的巨大火球,火球內部的核反應也越來越趨於不穩定,忽而強烈,忽而微弱。此時的恆星內部核心實際上密度已經增大到每立方厘米十噸左右,此時,在紅巨星內部,已經誕生了一顆白矮星。

中低質量的恆星在渡過生命期的主序星階段,結束以氫融合反應之後,將在核心進行氦融合,將氦燃燒成碳和氧的3氦過程,並膨脹成為一顆紅巨星。如果紅巨星沒有足夠的質量產生能夠讓碳燃燒的更高溫度,碳和氧就會在核心堆積起來。在散發出外面數層的氣體成為行星狀星雲之後,留下來的只有核心的部份,這個殘骸最終將成為白矮星。因此,白矮星通常都由碳和氧組成。但也有可能核心的溫度可以達到燃燒碳卻仍不足以燃燒氖的高溫,這時就能形成核心由氧、氖和鎂組成的白矮星。同樣的,有些由氦組成的白矮星是由聯星的質量損失造成的。

6 白矮星 -演化原理

白矮星-內部結構圖
原子是由原子核和電子組成的,原子的質量絕大部分集中在原子核上,而原子核的體積很小。比如氫原子的半徑為一億分之一厘米,而氫原子核的半徑只有十萬億分之一厘米。假如核的大小象一顆玻璃球,則電子軌道將在兩公里以外。而在巨大的壓力之下,電子將脫離原子核,成自由電子。這種自由電子氣體將儘可能地佔據原子核之間的空隙,從而使單位空間內包含的物質也將大大增多,密度大大提高了。形象地說,這時原子核是「沉浸於」電子中。

一般把物質的這種狀態叫做「簡併態」。簡併電子氣體壓力與白矮星強大的重力平衡,維持著白矮星的穩定。順便提一下,當白矮星質量進一步增大,簡併電子氣體壓力就有可能抵抗不住自身的引力收縮,白矮星還會坍縮成密度更高的天體:中子星或黑洞。

對單星系統而言,由於沒有熱核反應來提供能量,白矮星在發出光熱的同時,也以同樣的速度冷卻著。經過一百億年的漫長歲月,年老的白矮星將漸漸停止輻射而死去。它的軀體變成一個比鑽石還硬的巨大晶體——黑矮星而永存。而對於多星系統,白矮星的演化過程則有可能被改變。

7 白矮星 -能粉碎其他星體

白矮星及其周邊厚厚的粉塵狀星雲白矮星及其周邊厚厚的粉塵狀星雲
由於白矮星的性質接近黑洞,它也會對附近的行星產生巨大的引力。這種力量將徹底瓦解一定距離內的行星,將這些行星撕裂成碎片。在巨大引力作用下,碎片不斷地分解,最終一整顆行星都可能被白矮星「磨成」細碎的粉末,飄散在太空中,並漸漸被吸引到白矮星的周圍。

白矮星周圍高達數千萬到數億倍地球重力的引力將把外星人及他乘坐的飛船瞬間「磨成」粉末,並全部吸附到白矮星中,成為白矮星的一部分。

藉助於哈勃太空望遠鏡,英國華威大學的天體物理學家驗證了白矮星是行星「粉碎機」的猜想。他們在4顆白矮星周圍,發現了與地球元素構成相似的行星碎片。現在,這些白矮星像宇宙中貪婪的食肉動物,先把周圍的行星撕裂,然後把它們磨碎,最終「吞食」這些行星,吞食的速度高達每秒1000噸。科學家表示,未來的地球可能也會像這些行星一樣,遭受被撕裂的厄運。

8 白矮星 -威脅地球論

科學家證實,銀河系中的白矮星是距離地球最近的「定時炸彈」,每隔20年就會有一次小爆發,天文學家稱,數百萬年後,白矮星從伴星那兒獲得足夠的質量后,會爆炸成為超新星,並將威脅到地球的安全。

白矮星在不斷侵吞它的伴星,如果白矮星質量不斷增加,將最終達到所謂的錢德拉塞卡極限( Chandrasekhar Limit ),經過瞬時引力收縮過程,將導致熱核爆炸並完全摧毀白矮星,變成一顆「Ia」超新星,在此過程中釋放出比新星爆炸大1千萬倍的能量。

白矮星將來會爆炸成為超新星。超新星發出的伽馬射線將威脅地球的安全,其能量相當於太陽耀斑的1000倍。天文學家稱,超新星發出的伽馬射線使得地球大氣層產生氮氧化物,將完全破壞臭氧層。天文學家稱,離地球100光年的超新星爆炸將可能摧毀地球。


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